Nükleer atıklara camsı bir çözüm

Firavun Tutankhamun'un altın ölüm maskesi dünyanın en ünlü tarihi eserlerinden biridir. Genç kralın parlak yüzü M.Ö. 1325'e kadar uzanıyor ve bazen lapis lazuli olarak tanımlanan mavi şeritler içeriyor. Ancak dikkat çeken dekorasyon, eski Mısır'da tercih edilen yarı değerli taştan ziyade renkli camdan oluşuyor.

Telif haklarına layık görülen, imrenilen ve son derece değerli bir malzeme olan cam, bir zamanlar değerli taşlarla eşit görülüyordu; antik cam örnekleri Tutankhamun'dan bile daha eskilere uzanıyordu. Nitekim arkeologlar ve bilim insanları tarafından kazılan ve analiz edilen örnekler, cam üretiminin nasıl ve nerede başladığının daha iyi anlaşılmasını sağlamıştır. Ancak şaşırtıcı bir şekilde antik cam, nükleer atıkları depolamanın güvenli yollarını bulan başka bir grup bilim insanı tarafından da inceleniyor.

Gelecek yıl ABD, şu anda 177 yer altı depolama tankında bulunan eski nükleer atıklarının bir kısmını vitrifiye etmeye başlayacak. Hanford SitesiWashington eyaletinde, İkinci Dünya Savaşı ve Soğuk Savaş sırasında nükleer silahlar için plütonyum üreten, hizmet dışı bırakılmış bir tesis. Ancak nükleer atıkları cama dönüştürme veya vitrifiye etme fikri, radyoaktif elementleri kilit altında tutmanın ve dışarı sızmasını önlemenin bir yolu olarak 1970'lerde geliştirildi.

Nükleer atıklar genellikle radyoaktivitesine bağlı olarak düşük, orta ve yüksek seviye olarak sınıflandırılır. Bazı ülkeler düşük ve orta seviyeli atıkları vitrifiye ederken, bu yöntem çoğunlukla bir reaktör çekirdeğinde üretilen, uzun yarı ömre sahip fisyon ürünleri ve uranyum ötesi elementler içeren yüksek seviyeli sıvı atıkları hareketsiz kılmak için kullanılıyor. Bu tür atıklar aktif soğutma ve koruma gerektirir çünkü hem kendisini hem de çevresini önemli ölçüde ısıtacak kadar radyoaktiftir.

Vitrifikasyon işleminden önce sıvı atık kurutularak (veya kalsine edilerek) toz haline getirilir. Bu daha sonra büyük izabe tesislerinde erimiş camın içine dahil edilir ve paslanmaz çelik kutulara dökülür. Karışım soğuduktan ve katı bir cam haline geldikten sonra, kaplar kaynakla kapatılır ve günümüzde derin yer altı tesislerinde gerçekleştirilen depolama için hazırlanır. Ancak ona göre cam sadece bir bariyer sağlamıyor. Clare Thorpe, araştırma görevlisi University of SheffieldVitrifiye nükleer atıkların dayanıklılığını inceleyen İngiltere. “Bundan daha iyi. Atık camın bir parçası haline geliyor.”

Cam sadece bir bariyer sağlamaz. Bundan daha iyi. Atık camın bir parçası haline geliyor

Clare Thorpe, Sheffield Üniversitesi, Birleşik Krallık

Ancak bu gözlüklerin uzun vadedeki stabilitesi konusunda her zaman soru işaretleri olmuştur. Başka bir deyişle, bu malzemelerin binlerce yıl boyunca hareketsiz kalıp kalmayacağını nasıl bilebiliriz? Bu soruları daha iyi anlamak için nükleer atık araştırmacıları arkeologlar, müze küratörleri ve jeologlarla birlikte çalışarak vitrifiye nükleer atıkların zamanla nasıl değişeceğini anlamamıza yardımcı olabilecek cam analoglarını tespit ediyor.

İçerik tatlı nokta

En kararlı camlar saf silikon dioksitten (SiO) yapılır.₂), ancak çeşitli katkı maddeleri – örneğin sodyum karbonat (Na₂CO₃), bor trioksit (B₂O₃) ve alüminyum oksit (Al₂O₃) – genellikle camın viskozite ve erime noktası gibi özelliklerini değiştirmek için kullanılır. Örneğin borosilikat cam (B içeren₂O₃) çok düşük bir termal genleşme katsayısına sahiptir, bu nedenle aşırı sıcaklıklarda çatlamaz. Thorpe şöyle açıklıyor: "Birleşik Krallık ve ABD ve Fransa da dahil olmak üzere diğer ülkeler, atıklarını depolanmadan önce borosilikat camda vitrifiye etmeyi seçtiler."

Katkı maddeleri veya nükleer atıklar gibi unsurlar dahil edildiğinde, bunlar ağ oluşturucu veya değiştirici olarak cam yapının bir parçası haline gelir (Şekil 1). Ağ oluşturan iyonlar, silikonun yerine geçerek yüksek düzeyde çapraz bağlı kimyasal bağlı ağın ayrılmaz bir parçası haline gelir (örneğin bor ve alüminyum bunu yapar). Bu arada değiştiriciler, oksijen atomlarına gevşek bir şekilde bağlanarak ve "köprü oluşturmayan" bir oksijene (sodyum, potasyum ve kalsiyum bu şekilde dahil olur) neden olarak oksijen ile cam oluşturucu elementler arasındaki bağları keser. İkincisi, malzemede daha zayıf genel bağlanmaya neden olur ve bu da camın genel olarak erime noktasını, yüzey gerilimini ve viskozitesini azaltabilir.

"Çok dayanıklı bir cam oluşturmak için doğru miktarda [atık katkı maddesini] elde ettiğiniz belli bir tatlı nokta var" diye açıklıyor Carolyn Pearce itibaren Kuzeybatı Pasifik Ulusal Laboratuvarı Atık formlarındaki radyonüklid stabilitesinin kinetiğini inceleyen ABD'de. "Çok fazla eklerseniz, sistemi kristal fazlar oluşturmaya itmeye başlarsınız ki bu sorunludur, çünkü o zaman homojen tek fazlı cam kadar dayanıklı olmayan çok fazlı cama sahip olursunuz."

Pearce, Hanford'daki atıkların "periyodik tablodaki hemen hemen her elementi şu veya bu şekilde" içerdiğini ve sıvı, çamur veya tuz kekleri olarak depolandığını, bunun da en kararlı cam bileşimini tahmin etmeyi zorlaştırdığını söylüyor. "Eklenecek cam oluşturucu elemanların tasarımında çok fazla modelleme yapılması gerekiyor. Tesise girmeyi bekleyen hazırlama tankında ne olduğunu karakterize edecekler ve ardından camın bileşimini bu kimyaya göre tasarlayacaklar.”

Nükleer atıklar için vitrifikasyonun kullanımı, magmatik cam, fulguritler ("fosilleşmiş yıldırım" olarak da bilinir) ve meteoritlerdeki cam gibi binlerce yıldır var olan doğal camların stabilitesiyle desteklenmektedir. Thorpe, "Teorik olarak, radyoaktif elementlerin camın çözünmesiyle aynı oranda salınması gerekir ve camın son derece dayanıklı olduğunu biliyoruz, çünkü milyonlarca yıl önce yapılmış volkanik camların bugün hala ortalıkta durduğunu görebiliyoruz" diyor. Ancak vitrifiye atığın radyoaktif atıkların tamamen bozunması için gereken 60,000 ila milyonlarca yıl boyunca hayatta kalacağını kanıtlamak kolay değil; örneğin iyot-129'un yarı ömrü 15 milyon yıldan fazladır.

Cam su veya su buharı ile temas ettiğinde çok yavaş bir şekilde bozulmaya başlar. İlk olarak alkali metaller (sodyum veya potasyum) süzülür. Cam ağlar daha sonra parçalanmaya başlar ve daha sonra cam yüzeyinde amorf bir jel tabakası oluşturan silikatları (ve ayrıca borosilikat cam durumunda boratları) serbest bırakır. Bu, zamanla yoğunlaşır ve aynı zamanda ikincil kristalize fazlar da içerebilen bir dış "pasivasyon" katmanı oluşturur; bu, dökme camdan salınan malzemenin yüzeyin yeniden kristalleştirilmesinden oluşan bileşiklerdir. Bu noktada, daha fazla korozyon, elemanların bu kaplamadan geçme kabiliyeti ile sınırlıdır.

Ancak koşullar değişirse veya belirli mineral türleri mevcutsa pasivasyon katmanı da bozulabilir. Thorpe şöyle açıklıyor: "Çalışmalar, bazı ikincil mineral çökeltilerinin (özellikle demir ve magnezyum zeolitlerin) cam çözünme hızının artmasında rol oynadığı hızın yeniden başlaması adı verilen bir şeyle ilgili olabilecek endişe verici unsurların altını çizdi" diye açıklıyor Thorpe (şekil). 2).

Thorpe ve Pearce'in bu mekanizmaları anlamak için kullandığı yöntemlerden biri, yeni oluşan camın hızlandırılmış testidir. Thorpe, "Laboratuvarda reaksiyonu hızlandırmak için yüzey alanını artırmak amacıyla camı düzleştiriyoruz ve sıcaklığı genellikle 90 °C'ye kadar artırıyoruz" diyor. "Bu, camları sıralamak için gerçekten etkili - bunun bundan daha dayanıklı olduğunu söyleyebiliriz - ancak karmaşık bir doğal ortamda gerçek çözünme oranını belirlemek için pek iyi değil."

Bunun yerine araştırmacılar halihazırda var olan analog gözlüklere yöneldiler. "Borosilikat camlar yalnızca yaklaşık 100 yıldır var. Uzun vadede nasıl davrandıklarına dair elimizde bazı veriler var ama radyoaktif atık depolamayı düşünmek için ihtiyaç duyduğumuz zaman ölçeklerini kapsayan hiçbir şey yok” diyor Thorpe. Doğal camlar, nükleer atık camlarda yaygın olarak bulunan ve bunların özelliklerini etkileyebilecek alkali elementler açısından düşük olma eğiliminde olduğundan her zaman uygun bir karşılaştırma değildir; dolayısıyla diğer seçenek arkeolojik camlardır. Bileşimleri atık camla aynı olmasa da çeşitli elementler içerirler. Pearce, "Sadece bu farklı kimyalara sahip olmak, bunun değişim açısından oynadığı role gerçekten bakmamızı sağlıyor" diyor.

Geçmişten gelen cam

İnsanlar camın nasıl yapıldığını keşfetmeden önce, hem sağlamlığı hem de güzelliği için doğal camı kullanıyorlardı. Bunun bir örneği Tutankhamun'un mezarında bulunan pektoral veya broştur. Mumyanın göğsüne yerleştirilen bu parça, en az 3300 yıl önce bok böceği şeklinde şekillendirilmiş soluk sarı doğal cam parçasını içeriyor. Cam, Libya çölünden geldi ve son araştırmalar, oluşumunu 29 milyon yıl önce bir göktaşı çarpmasına bağladı. Bilim adamları bu sonuca, camın içinde yüksek basınçta oluşan reidit mineralinden gelen zirkonyum silikat kristallerinin varlığı nedeniyle ulaştılar (Jeoloji 47 609).

"Düzenli olarak ilk cam üretiminin M.Ö. 1600 civarında olduğu" belirtiliyor Andrew Shortlandarkeoloji bilimci Cranfield Üniversitesi İngiltere'de. "En muhteşem cam obje şüphesiz Kahire [Müzesi] kataloğunda yer alan Tutankhamun'un ölüm maskesidir."

Geçen yüzyıl boyunca arkeologlar, camın ilk kez büyük ölçekte nerede üretildiği konusunda fikir birliğine varamadılar; Kuzey Suriye ve Mısır bu konuda en önemli adaylardı. Shortland, "Şu anda aranamayacak kadar yakın olduğunu söyleyebilirim" diyor. Kazıdan çıkarılan camlar soda-kireç silikat camlardır; halen pencerelerimizde kullandığımız camlardan pek de farklı değildir. Bunlar, soda (Na) içeren bir “flux” ile silikat mineralleri kullanılarak üretildi.₂CO₃), erime noktasını ulaşılabilir bir eritme sıcaklığına düşürür ve kireç (CaCO₃) camı daha sert ve kimyasal olarak daha dayanıklı hale getirmek için. "Bu ilk camlardaki silika, çok temiz olması, demir, titanyum ve camı renklendiren diğer şeyler açısından çok düşük olması nedeniyle kullanılan ezilmiş kuvarstan geliyor."

Cam korozyonu sorunu, camı yeni kazıldığında veya müzelerde saklandığında stabilize etmeyi amaçlayan arkeolojik konservatörler için tanıdıktır. "Nem elbette cam için en kötü şeydir" diyor Duygu Çamurcuoğlu, kıdemli obje konservatörü British Museum Londrada. "İyi bakılmazsa nem cama saldırıp camı eritmeye başlar." Çamurcuoğlu, güzel yanardöner yüzeyli arkeolojik cam sergisinin genellikle neredeyse %90 oranında silikattan oluştuğunu, çünkü diğer iyonların, özellikle de alkali iyonların korozyon nedeniyle ortadan kalkmış olacağını açıklıyor.

Arkeolojik analoglar

Arkeolojik camları vitrifiye nükleer atıklara analog olarak kullanmanın anahtarı, nesnelerin yaşadığı çevresel koşullar hakkında iyi bir bilgiye sahip olmaktır. Sorun şu ki, cam yaşlandıkça bu daha da zorlaşıyor. Thorpe şöyle açıklıyor: "200 yıllık bir şey aslında daha faydalı olabilir, çünkü iklim kayıtlarının tamamını tam olarak belirleyebiliyoruz." Thorpe ve meslektaşları, arkeolojik örnekleri vitrifiye atıklarla karşılaştırarak, hızlandırılmış yüksek sıcaklık testlerinde gördükleri mekanizmaların bazılarını doğrulayabiliyor, böylece benzer süreçlere ve mineral oluşumuna sahip olup olmadıklarını ve ellerinde hiçbir şey olmadığını doğrulayabiliyorlar. gözden kaçmış.

Shortland'ın deneyimine göre, kesin yerel çevre koşulları camın hayatta kalma süresi üzerinde büyük bir fark yaratabilir. İlk olarak 1930'larda kazılan, Irak'ta Kerkük yakınlarındaki Geç Tunç Çağı kenti Nuzi'deki camları analiz etmek için taramalı elektron mikroskobu kullandığını hatırlıyor. "Camlardan bazılarının mükemmel şekilde korunduğunu, güzel renklere sahip olduğunu ve sağlam olduğunu, diğer parçaların ise yıprandığını ve tamamen kaybolduğunu fark ettik." Ancak örneklerin genellikle aynı evlerde ve yakındaki odalarda bulunduğunu açıklıyor. “Mikro ortamlarla uğraşıyorduk.” 3000 yıl boyunca nem miktarındaki küçük bir farklılık, çok farklı hava koşulları modelleri yarattı (Arkeometri 60 764).

Elbette, Nuzi'de veya başka yerlerde bulunan cam eserler, nükleer atık bilim adamlarına test için verilemeyecek kadar değerli, ancak daha az nadir olan pek çok arkeolojik cam parçası da mevcut. Thorpe, demirin eritilmesi sırasında oluşan silikat-cam atık ürünü olan cüruf gibi malzemelerin yararlı analoglar sağlayabileceği çok sayıda iyi tanımlanmış arkeolojik alanı inceliyor. Cüruf blokları, İngiltere'nin Cornwall kentindeki Hayle kasabasındaki Black Bridge dökümhanesindeki bir duvara 1811 civarında inşa edilmişti.Kimya Geol. 413 28). "Bunlar, vitrifiye edildiklerinde plütonyumla kirlenmiş bazı materyallere oldukça benziyorlar" diye açıklıyor. “250 yıldır ya havaya ya da içinde oturdukları halice maruz kaldıklarından emin olabilirsiniz.” Ayrıca 265 yıllık cam külçeleri de araştırdı. Albion 200 yıl öncesine ait su sıcaklıkları ve tuzluluk oranlarına ilişkin kapsamlı kayıtların bulunduğu Birleşik Krallık'ın Margate kıyısı açıklarındaki gemi enkazı.

Thorpe ve diğerleri ayrıca metallerin camın stabilitesi üzerindeki etkisini de düşünüyorlar. "Demirin rolüyle çok ilgileniyoruz çünkü teneke kutular (vitrifiye atığı tutan) nedeniyle mevcut olacak. Doğal analog bölgelerde bu durum mevcut çünkü çoğu zaman cam toprakta bulunuyor veya cüruf durumunda demir açısından zengin malzeme ile çevreleniyor." Sorun, camdan veya çevreden sızan pozitif demir iyonlarının, camın yüzeyindeki jel tabakasından negatif yüklü silikatları temizlemesidir. Bu, demir silikat minerallerini çökelterek pasifikasyon katmanını potansiyel olarak bozabilir ve hızın yeniden başlamasını tetikleyebilir. Bu etki bir dizi laboratuvar çalışmasında görülmüştür (Environ. bilim Teknoloji. 47 750) ancak Thorpe bunun düşük sıcaklıklarda sahada gerçekleştiğini görmek istiyor çünkü termodinamik, hızlandırılmış testlerden çok farklı. Şu ana kadar bunun vitrifiye nükleer atıklarla meydana geldiğine dair kanıtları yok ve demir olsun ya da olmasın bu camların son derece dayanıklı olduğundan eminler. Ancak korozyonun meydana gelme hızını etkileyebilecek süreçleri anlamak yine de önemlidir.

Biyolojik bir meydan okuma

Pearce ve meslektaşlarının üzerinde çalıştığı analog cam, yaklaşık 1500 yıl önce işgal edilen İsveç'teki Viking öncesi Broborg tepe kalesinden geliyor. Pearce'in, alanın kazara veya şiddetli bir şekilde tahrip edilmesinin sonucu değil, kasıtlı olarak inşa edildiğini düşündüğü vitrifiye duvarlar içeriyor. Granit duvarlar, büyük ölçüde silikat mineralleri içeren amfibolit kayalarının eritilmesiyle, granit kayaları çevreleyen camsı bir harç oluşturularak güçlendirildi. Pearce, "İsveç'teki 1500 yıl öncesine ait kayıtlardan, maruz kaldığı sıcaklıklar ve yağış miktarı açısından cama ne olduğunu tam olarak biliyoruz" diyor.

Broborg camını incelemek için elektron mikroskobu kullanan araştırmacılar, çevreye maruz kalan yüzeyin bakteri, mantar ve likenlerle kaplı olduğunu görünce şaşırdılar. Pearce'in ekibi şimdi bu tür biyolojik aktivitenin camın stabilitesi üzerindeki etkilerini anlamaya çalışıyor. Alan birkaç farklı cam bileşimi içeriyor ve daha fazla demir içeren numunelerin mikrobiyal kolonizasyona dair daha fazla kanıt (muhtemelen demiri metabolize edebilen organizmaların daha fazla sayıda olması nedeniyle) ve çukurlaşma gibi fiziksel hasarlara dair daha fazla kanıt gösterdiğini buldular.

Bazı organizmalar bu zorlu koşullarda gelişebiliyor ve hatta materyalden elementler çıkarabiliyor gibi görünse de Pearce, biyofilmin koruyucu bir katman sağlamasının da mümkün olduğunu açıklıyor. "Bakteriler, tüm canlı organizmaların homeostazisle meşgul olması nedeniyle nispeten değişmeyen koşullarda yaşamayı seviyor ve bu nedenle etraflarındaki pH'ı ve su içeriğini düzenlemeye çalışıyorlar." Ekibi şimdi biyofilmin nasıl bir rol oynadığını ve bunun cam bileşimiyle nasıl ilişkili olduğunu belirlemeye çalışıyor (npj Malzeme Bozulması 5 61).

En dayanıklı nükleer atık camlarını yaratmak isteyenlerin karşılaştığı temel sorun, uzun ömürlülüktür. Ancak bozulan camı stabilize etmeye çalışan arkeolojik konservatörler için daha acil bir zorluk var: nemi uzaklaştırmak ve dolayısıyla camın çatlamasını ve parçalanmasını önlemek. Arkeolojik cam, yanardöner korozyon tabakasının üzerine uygulanan akrilik reçineyle sağlamlaştırılabilir. Çamurcuoğlu, "Aslında camın bir parçası, dolayısıyla korunması gerekiyor" diyor.

Ne kadar uzun süredir cam kullanıyor olmamıza rağmen, yapısının ve bileşiminin stabilitesini nasıl etkilediğini tam olarak anlamak için hala kat etmemiz gereken uzun bir yol var. “Bir camın erime sıcaklığını bileşiminden tam olarak doğru bir şekilde tahmin edemememiz beni şaşırtıyor. Çok küçük miktarlardaki ek unsurların çok büyük etkileri olabilir; bu gerçekten biraz karanlık bir sanattır” diye düşünüyor Thorpe.

Sheffield'deki çalışmaları, kendisine devredilen ve 50 yılı aşkın süredir yürütülen bazı projelerle devam edecek. Örneğin İngiltere'nin Derbyshire kentindeki Ballidon Taş Ocağı, dünyadaki en uzun soluklu "cam gömme" deneylerinden birine ev sahipliği yapıyor. Amaç, arkeolojik camların, çimentoyla kaplanmış atıkların yanı sıra vitrifiye nükleer atıkların karşılaşacağı türden alkali koşullar altında bozunmasını test etmektir (J. Cam Saplama. 14 149). Deneyin 500 yıl sürmesi planlanıyor. Üniversitenin kendisinin bu kadar uzun süre dayanıp dayanmayacağı henüz bilinmiyor, ancak bizi korumaya çalıştıkları nükleer atıklara gelince, kesinlikle dayanacak.

Sonrası Nükleer atıklara camsı bir çözüm İlk çıktı Fizik dünyası.

• Akıllı para. Avrupa'nın En İyi Bitcoin ve Kripto Borsası.
• Plato blok zinciri. Web3 Metaverse Zekası. Bilgi Güçlendirildi. SERBEST ERİŞİM.
• KriptoHawk. Altcoin Radarı. Ücretsiz deneme.
• Kaynak: https://physicsworld.com/a/a-glassy-solution-to-nuclear-waste/